第9章 星际激光通信

1、光通信原理与技术光通信原理与技术第第9章章 星间激光通信星间激光通信 卫星光通信链路分类卫星光通信链路分类v星间链路星间链路 ISL IOLv星地链路星地链路9.3.1 主要问题及对策主要问题及对策主要问题主要问题v 共性问题共性问题 损耗 通信光束的对准、捕捉和跟踪 背景噪声 多谱勒频移v 星地光通信面临的问题星地光通信面临的问题 大气信道 衰减/湍流损耗损耗v 自由空间的传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成自由空间的传输损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成反比反比v 星间距离通常在数千到数万公里星间距离通常在数千到数万公里v 自由空间损耗自由空间损耗 在在250dB以上以上24lg

2、10dLf光学天线光学天线-解决损耗问题解决损耗问题v 天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比 v 光波波长在光波波长在 m数量级，小口径天线即可获得巨大增益数量级，小口径天线即可获得巨大增益v 工作波长为工作波长为1550 nm时，时，20cm口径的天线即可实现口径的天线即可实现110dB以上的以上的增益增益)(lg102DG发散角问题发散角问题v 圆形口面的天线其波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口圆形口面的天线其波束主瓣半功率角宽度与工作波长成正比，与天线口径成反比径成反比 v 20cm口径的天线工作在口径的

3、天线工作在1550nm波长时，其波长时，其3dB光束发散角仅为光束发散角仅为7.9 rad v 开环方式基本上不可能实现通信双方光束的对准开环方式基本上不可能实现通信双方光束的对准dP02. 122/PAT子系统子系统-解决对准问题解决对准问题v瞄准、捕获和跟踪（瞄准、捕获和跟踪（PAT）子系统）子系统 瞄准-天线指向 捕获-实现通信光束的对准 跟踪-吸收卫星机械振动引起的光束偏移广谱宇宙噪声广谱宇宙噪声0.60.40.81.01.21.41.620406080100SiGeInGaAsP波波长长 ( m)量量子子效效率率%几种常用光电检测器的波长响应特性光学滤波器光学滤波器-解决背噪问题解决

4、背噪问题v 光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅让特定波段的光电检测前，在光域对信号进行窄带滤波，仅让特定波段的信号光通过，从而大大减少背景光产生的噪声光电流信号光通过，从而大大减少背景光产生的噪声光电流v 光学滤波技术成熟，大量应用于光学滤波技术成熟，大量应用于DWDM系统系统 闪耀光栅 多层介质薄膜 阵列波导干涉型 光纤光栅型多普勒频移多普勒频移v 光载波频移大小：光载波频移大小：v IOL链路存在此问题影响链路存在此问题影响v GEO-LEO链路中，多普勒频移量接近链路中，多普勒频移量接近9GHz，对应的波长，对应的波长变化范围约变化范围约0.08nmv光源光源观察者观察者光源运动方

5、向光传播方向ff1cos112cv大气信道大气信道v 大气效应大气效应 大气吸收 大气散射 大气湍流v 对光束的影响对光束的影响 衰减 多径色散 到达角起伏 闪烁选择工作波长选择工作波长天天顶角顶角=0=0大气质量比大气质量比=1=10.30.50.70.91.11.36060，2 2能见度极佳（能见度极佳（31km）对大气质量比等于对大气质量比等于1时时70.570.5，3 3波长波长 （ m）020406080100透射率（透射率（%）天天顶角顶角=0=0大气质量比大气质量比=1=10.30.50.70.91.11.36060，2 2能见度极佳（能见度极佳（31km）对大气质量比等于对大气

6、质量比等于1时时70.570.5，3 3波长波长 （ m）020406080100透射率（透射率（%）避开大气高损耗波长AO-部分解决大气湍流问题部分解决大气湍流问题v 自适应光学（自适应光学（AO）技术，在天文观察领域提出，用于改善）技术，在天文观察领域提出，用于改善大气湍流条件下的天体成像质量大气湍流条件下的天体成像质量v AO主要改善光束聚焦质量，在通信中可抑制光电检测器上主要改善光束聚焦质量，在通信中可抑制光电检测器上光斑的功率波动，提高接收性能光斑的功率波动，提高接收性能9.3.2 卫星光通信系统卫星光通信系统总体功能框图总体功能框图调制器信号光源光电检测误差检测误差信号处理伺服机械

7、合束器分束器精瞄跟踪装置光学收发天线粗瞄装置信标信号信标光源接收机光学天线平台发射光束接收光束信息数据输入输出控制计算机v 系统组成系统组成 光学天线子系统 PAT子系统 光波调制解调子系统光学天线子系统光学天线子系统v 星间激光通信中，光学天线的作用十分重要，星间激光通信中，光学天线的作用十分重要， 主要表现在主要表现在两方面：两方面： 在发送端 对激光束实现扩束，增大激光束的束腰半径，可以有效的压缩光束发散角，减少光束发散损耗，降低对光源的光发射功率要求 在接收端 增大接收面积，压缩接收视野，减少背景光干扰，可充分提高光接收机的信噪比，延伸系统的通信距离光学天线类型光学天线类型v 常见类型

8、常见类型 折射式天线 伽利略式 开普勒式 反射式天线 单反射面 双（多）反射面 折反射组合式天线 几种双反射面光学天线几种双反射面光学天线v 牛顿式光学天线的副镜面为平面镜，成像于主镜的侧方牛顿式光学天线的副镜面为平面镜，成像于主镜的侧方v 卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面，内侧焦点与主镜卡塞格伦式光学天线的副镜面为旋转双曲面，内侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处v 格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭圆面，近侧焦点与主镜格雷果里式光学天线的副镜面为旋转椭圆面，近侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的远侧焦点处焦点重合，成像于主镜后方的远侧

9、焦点处牛顿式卡塞格伦式格雷果里式卡塞格伦天线卡塞格伦天线-常见选择常见选择v优点优点 没有实焦点 重量轻 光路设计方便MNF1F2馈源2b 2aPAT子系统子系统光学天线发送光束接收光束光发送机光束方向驱动功能单元光接收机开环瞄准功能单元跟踪功能单元捕获功能单元信标光源PAT工作流程工作流程v 开环瞄准开环瞄准v 捕获捕获 扫描 误差检测 天线方向调整v 跟踪跟踪 误差检测 光束方向微调扫描方式扫描方式v单方扫描（单方扫描（StareScan） 光束扫描 FOV扫描v双方扫描（双方扫描（ScanScan）扫描过程扫描过程v 主动方按完善的扫描策略计算出若干扫描点，确保在某扫描点上发送光主动方按

10、完善的扫描策略计算出若干扫描点，确保在某扫描点上发送光束一定可以覆盖被动方；束一定可以覆盖被动方；v 主动方驱动天线逐一瞄准各个扫描点，并在每个扫描点作一定时间的驻主动方驱动天线逐一瞄准各个扫描点，并在每个扫描点作一定时间的驻留；留；v 在某扫描点上主动方发送光束出现在被动方的在某扫描点上主动方发送光束出现在被动方的 FOV 中（因为被动方有中（因为被动方有足够大的足够大的FOV，因此在其未实现天线精确对准的情况下，也能在，因此在其未实现天线精确对准的情况下，也能在 FOV 中捕获到主动方投射来的发送光束）；中捕获到主动方投射来的发送光束）；v 在主动方于该扫描点上驻留的时间内，被动方卫星根据

11、在主动方于该扫描点上驻留的时间内，被动方卫星根据 FOV 中主动方中主动方出现的位置计算出对准误差，并进一步计算出纠正数据，驱动本方天线出现的位置计算出对准误差，并进一步计算出纠正数据，驱动本方天线实现精确接收对准，同时也实现了本方发送光束到主动方的对准；实现精确接收对准，同时也实现了本方发送光束到主动方的对准；v 被动方出现在主动方的接收被动方出现在主动方的接收 FOV 中，主动方计算出对准误差和纠正数中，主动方计算出对准误差和纠正数据并驱动天线实现精确对准，停止扫描。扫描过程完成。据并驱动天线实现精确对准，停止扫描。扫描过程完成。扫描策略扫描策略v误差检测部件误差检测部件 4QDv光束方向

12、调整部件光束方向调整部件 快速倾斜镜（FSM） 目前：快速调整跟踪以吸收卫星振动跟踪以吸收卫星振动IAIDIBICxyPAT典型光路典型光路二轴反射镜天线方向驱动系统CCD信标光源半反镜卡塞格伦光学天线误差计算开环瞄准卫星状态信息扫描控制跟踪反射镜跟踪驱动误差计算QD光学滤波片捕获跟踪控制APD光束准直LD跟踪残差跟踪残差0-2002000-30300-6080AO子系统子系统-0.500.5-0.500.5-10-50510波前探测器波前探测器透镜阵列CCD阵列单个透镜成像vH-S波前传感器波前传感器AO对接收性能的改善对接收性能的改善 0.0 1.0时间（秒）0-10-20-30-40接收

13、光功率（dBm）无AO0-10有AO调制调制/解调子系统解调子系统v光强调制光强调制/直接检测（直接检测（IM/DD ）v为提高传输通道抗干扰能力，可采用脉冲位置调制为提高传输通道抗干扰能力，可采用脉冲位置调制（PPM） 单脉冲PPM 差分PPM 多脉冲PPM9.3.3 典型系统简介典型系统简介SILEXv SILEX： Semiconductor-laser Inter-satellite Link EXperiment，半导体激光星间链路实验，半导体激光星间链路实验v ESA于于80年代后期确立的星间激光通信计划年代后期确立的星间激光通信计划v 1994年通过设备级方案评审年通过设备级方案

14、评审v 1996年进行子系统的性能测试年进行子系统的性能测试v 1998年年3月月22日日LEO卫星发射卫星发射v 2001年年7月月12日日 GEO卫星发射卫星发射v 2001年年11月月22日日 实现星间激光通信实现星间激光通信SILEX示意图示意图ARTEMIS（GEO）GEOLEO（SPOT4）激光IOL上行50Mbps下行2Mbps激光ISL地球微波对地链路SILEX工作参数工作参数v设计传输距离设计传输距离45000km，上行速率，上行速率50Mbps，下行速率，下行速率2Mbpsv通信子系统采用通信子系统采用IM/DD方案方案发送端光源使用GaAlAs半导体激光器，GEO发送波长819nm，LEO发送波长847nm，平均输出功率60mW接收端使用Si-APD作为光电检测器，探测能力近100光子每bitv光学天线为卡塞格伦式，口径光学天线为卡塞格伦式，口径25cm，压缩后光束发散角为，压缩后光束发散角为8 rad，接收端接收，接收端接收视场约视场约75 radv信标光源总功率超过信标光源总功率超过8W，光束发散角为，光束发散角为700